一種PLC的工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

南 貌

(寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 寶雞 721013)

20世紀(jì)以來,隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,鍋爐設(shè)備已經(jīng)被應(yīng)用到了現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域,是許多工業(yè)發(fā)展進(jìn)步離不開的重要熱工設(shè)備[1-3]。工業(yè)鍋爐作為工業(yè)生產(chǎn)的熱能來源,整套鍋爐設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)過程中負(fù)責(zé)保持較高效率、穩(wěn)定安全地將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能,然后將產(chǎn)生的熱能通過轉(zhuǎn)化裝置變?yōu)樗璧哪茉葱螒B(tài)[4]。目前國內(nèi)社會(huì)的各種資源作為工業(yè)快速發(fā)展的代價(jià)被消耗,環(huán)境資源受到很大的透支,工業(yè)鍋爐是在一次能源轉(zhuǎn)化為利于利用的二次能源過程中占據(jù)重要地位的動(dòng)力設(shè)備,在為工業(yè)生產(chǎn)提供熱能中有著十分關(guān)鍵的作用[5-6]。為保證工業(yè)鍋爐能夠安全、高效地投入生產(chǎn),減少燃燒過程中對(duì)環(huán)境資源的破壞,提高資源的利用率,需要引入自動(dòng)化控制技術(shù),提高鍋爐的控制水平,實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)鍋爐燃燒更加科學(xué)合理的控制。本文從這一問題出發(fā),基于PLC設(shè)計(jì)了一套工業(yè)鍋爐的自動(dòng)控制系統(tǒng),希望可以促進(jìn)工業(yè)鍋爐進(jìn)一步發(fā)展,提高其整體節(jié)能環(huán)保水平[7-9]。

1 國內(nèi)工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

直至今日,我國的主要燃料來源依舊是煤炭,而工業(yè)鍋爐中以煤炭為燃料的占有近七成的比例。近年來,科技水平的不斷提高,自動(dòng)化控制技術(shù)也逐漸成熟,雖然這一過程提升了國內(nèi)工業(yè)鍋爐的控制水平,但是國內(nèi)以煤炭為燃料的工業(yè)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)一直落后于國外的同類鍋爐。國內(nèi)鍋爐主要存在以下幾點(diǎn)問題:第一點(diǎn),鍋爐的實(shí)際運(yùn)行效率較低,雖然在設(shè)計(jì)方案中效率為70%～80%,但是實(shí)際運(yùn)行中一般只有60%左右,相較于國外近80%的平均效率,有著較大的提升空間;第二點(diǎn),國內(nèi)大多數(shù)燃煤設(shè)備的廢物排放嚴(yán)重超標(biāo),據(jù)目前對(duì)十八個(gè)重點(diǎn)城市的污染物統(tǒng)計(jì),超過一半城市的工業(yè)鍋爐所造成的污染要比電站鍋爐嚴(yán)重,成為城市大氣污染的首要來源;第三點(diǎn),國內(nèi)處于運(yùn)行狀態(tài)的大部分鍋爐控制技術(shù)落后,這也是工業(yè)鍋爐工作效率普遍低于國家標(biāo)準(zhǔn)的主要原因[10]。目前只有一些大型鍋爐采用DCS、FCS等等先進(jìn)技術(shù)來提高鍋爐的控制水平與安全性,但是中小型鍋爐依據(jù)使用落后的控制儀表、繼電器控制方式,最后鍋爐系統(tǒng)較低的熱效率會(huì)浪費(fèi)大量的環(huán)境資源。這一社會(huì)現(xiàn)象主要是因?yàn)橹行∑髽I(yè)無法承擔(dān)大型控制系統(tǒng)的昂貴費(fèi)用[11]。

隨著環(huán)境污染和能源短缺問題的愈加嚴(yán)重,國家發(fā)展政策的改變,需要淘汰掉過去以犧牲環(huán)境,消耗資源來幫助經(jīng)濟(jì)增長的生產(chǎn)方式,保證工業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)同步進(jìn)行。在這一發(fā)展趨勢(shì)下,工業(yè)鍋爐的自動(dòng)化控制要求被提高,中小企業(yè)只有升級(jí)優(yōu)化現(xiàn)有的控制技術(shù)來適應(yīng)新時(shí)代前進(jìn)腳步。因此,設(shè)計(jì)一種擁有合理價(jià)格,適用程度高,方便使用與維護(hù)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)非常有必要。

2 工業(yè)鍋爐的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行過程簡(jiǎn)述

2.1 工業(yè)鍋爐結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)述

工業(yè)鍋爐可以分為鍋爐本體和輔助裝置,本體又可以分為鍋和爐兩個(gè)部分,圖1為燃煤工業(yè)鍋爐的平面結(jié)構(gòu)示意圖。鍋主要負(fù)責(zé)接收燃料燃燒后產(chǎn)生的熱能,然后傳遞給鍋內(nèi)的工質(zhì),由鍋殼、水冷壁、汽水分離裝置等多個(gè)部分組成;爐主要負(fù)責(zé)燃料燃燒,燃燒后熱能儲(chǔ)存在燃燒所產(chǎn)生的蒸汽中,由煤斗、爐膛、引風(fēng)裝置等設(shè)備組成[12-13]。

圖1 工業(yè)鍋爐的整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 工業(yè)鍋爐工作過程簡(jiǎn)述

燃料進(jìn)入爐膛內(nèi)部后,在燃燒設(shè)備中充分燃燒將內(nèi)部的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能,再將產(chǎn)生的熱能通過熱輻射傳遞給鍋爐的受熱部分,受熱部分將熱量傳遞給水,水被蒸發(fā)為高溫高壓氣體后再通過轉(zhuǎn)化裝置供工業(yè)生產(chǎn)使用,具體的工作過程如下:

(1)燃料燃燒:準(zhǔn)備好燃料放入煤斗中后,然后由爐排將其送入爐膛內(nèi)部燃料燃燒,傳送完成,在開始燃燒之后,開啟引風(fēng)裝置向爐膛內(nèi)部不斷輸送氧氣,在不斷燃燒的過程中將燃燒完全的燃料移出燃燒層,傳送至壓渣機(jī),經(jīng)過壓渣機(jī)處理后傳送至渣斗內(nèi)。

(2)熱量轉(zhuǎn)化:鍋爐燃燒燃料產(chǎn)生后的高溫蒸汽,通過熱輻射的方式與爐膛的水冷壁相互作用,通過排風(fēng)裝置向上排出蒸汽,到達(dá)水平管道后,與熱能轉(zhuǎn)化裝置產(chǎn)生熱量交換。在降溫的同時(shí)進(jìn)行脫硫及除塵處理,最終將符合標(biāo)準(zhǔn)的煙氣進(jìn)行排放。

(3)加熱汽化:對(duì)加壓泵進(jìn)行加壓,將煙氣中的熱能向加壓完畢的水中傳遞,然后通過管線進(jìn)行省煤器,再次加熱后與鍋筒中的水一同進(jìn)入下集箱中,通過汽水分離器將飽和蒸汽與液體分離后將飽和蒸汽傳送至過熱器中,再加熱后傳送至能量轉(zhuǎn)化裝置投入工業(yè)生產(chǎn)。

3 工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3.1 工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)功能分析

根據(jù)目前工業(yè)發(fā)展對(duì)鍋爐的需求,設(shè)計(jì)一款主要由PLC、溫度變送器、變頻器、傳感器、電氣控制柜等等組成的工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng),系統(tǒng)的主要功能如下:①單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)控制模式,根據(jù)鍋爐實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)智能調(diào)節(jié)鍋爐設(shè)備的電機(jī)轉(zhuǎn)速,消除人工操作的不穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。②遠(yuǎn)程控制,保證系統(tǒng)可以同時(shí)支持遠(yuǎn)程控制與現(xiàn)場(chǎng)控制,通過操作臺(tái)和可編程控制器完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。③系統(tǒng)監(jiān)測(cè),在控制系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)處安裝相應(yīng)的傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)不同設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù),然后結(jié)合電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,最后通過人機(jī)交互平臺(tái)以圖表的形式進(jìn)行展示。④警報(bào)功能,對(duì)工業(yè)鍋爐內(nèi)的可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)部分設(shè)定報(bào)警程序,設(shè)定工作部分的上下限范圍,一旦工作狀態(tài)超出設(shè)定范圍立即發(fā)出報(bào)警信號(hào),自動(dòng)進(jìn)行初步補(bǔ)救措施,提高工業(yè)鍋爐在運(yùn)行過程中的安全性。

3.2 工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用西門子S7-300PLC作為下位機(jī)來進(jìn)行對(duì)鍋爐燃燒過程、溫度水位等等的控制。將工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)分為管理層、現(xiàn)場(chǎng)控制層、數(shù)據(jù)采集與分析層三個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì),分別對(duì)燃料燃燒、補(bǔ)水泵、循環(huán)泵三個(gè)工作過程進(jìn)行控制,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

管理層即系統(tǒng)的上位機(jī),由主控機(jī)與輔控機(jī)組成。為保證系統(tǒng)對(duì)鍋爐的遠(yuǎn)程控制,在設(shè)定鍋爐運(yùn)行過程時(shí)采用集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)控的遠(yuǎn)測(cè),使用MPI多點(diǎn)接口連接上位機(jī)與下位機(jī)PLC[14]。用戶可以通過觸控屏這一交互平臺(tái)完成信息交換來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整或及時(shí)關(guān)閉、開啟相應(yīng)設(shè)備。

現(xiàn)場(chǎng)控制層以西門子S7-300系列的可編程控制器作為核心,接收到上位機(jī)傳來的控制指令后,由總線連接變頻器和下位機(jī),來完成對(duì)電機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)速調(diào)整和啟停控制。

數(shù)據(jù)采集與分析層主要負(fù)責(zé)對(duì)工業(yè)鍋爐工作數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析及處理[15]。包括變送器采集負(fù)荷容量、回水溫度、蒸汽流量等設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的收集,然后將參數(shù)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)傳送至下位機(jī)PLC將信號(hào)進(jìn)行分析處理。

3.3 系統(tǒng)控制電路

考慮到工業(yè)鍋爐在工作過程中會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)弱電之間的隔離問題,通過編寫PLC程序來完成電機(jī)、繼電器、接觸器之間的控制操作。在PLC輸出端口與交流電接觸器之間安裝中間繼電器,將這種方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)直接與交流接觸器連接的控制操作方式,提高了控制回路的整體安全性與可靠性,也增強(qiáng)了控制對(duì)外界的抗干擾能力。控制系統(tǒng)可以同時(shí)完成手動(dòng)控制與系統(tǒng)控制,對(duì)電路進(jìn)行過載、過電壓、過電流等保護(hù)。綜合上述所需的功能,所設(shè)計(jì)的控制電路示意圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制電路示意圖

3.4 控制系統(tǒng)的硬件選擇

首先是主機(jī)的選擇,選用雙機(jī)冗余系統(tǒng)作為主機(jī)系統(tǒng),即兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)作為主要硬件裝置,分別為主控機(jī)與輔控機(jī);其次是可編輯控制器的選擇,本文采用西門子的S7-300系列可編輯控制器,這一系列的控制器由電源、CPU、信號(hào)、接口、功能、通信處理器、導(dǎo)軌等等模塊組成,擁有編輯方式簡(jiǎn)單方便、模塊化工作、強(qiáng)抗干擾能力、指令功能風(fēng)度、維修成本低且維修方便等優(yōu)點(diǎn),很好地滿足了中小企業(yè)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)生產(chǎn)需求;其次,儀表設(shè)備的選擇需要能夠保證控制系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定工作,加強(qiáng)所有的儀表需要進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì);最后是變頻控制室的選擇,本文采用三菱公司的FR系列變頻器,該變頻器具有控制功能強(qiáng)、通訊能力穩(wěn)定、噪聲小等優(yōu)勢(shì)。

3.5 控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

干擾信號(hào)大致分為四種類型:外界電源干擾、外部空間電磁輻射干擾、信號(hào)傳輸線干擾、數(shù)字電路干擾。綜合考慮后采用出以下四種措施抗干擾:

(1)安裝屏蔽裝置,使用有較強(qiáng)性能的電源來抵御干擾,對(duì)CPU、PLC等進(jìn)行屏蔽,保證電源的穩(wěn)定性、可靠性及安全性。

(2)電纜的選擇,選用具有較強(qiáng)屏蔽性能的電纜來減少工作電纜之間的電磁干擾。在鋪設(shè)電纜時(shí),然后在電纜鋪設(shè)時(shí),分別對(duì)動(dòng)力線、電源線、控制線進(jìn)行配線,采用雙絞線的鋪設(shè)方式連接,減少系統(tǒng)內(nèi)部工作電纜之間的干擾。

(3)優(yōu)化接地系統(tǒng),接地在有效保證工作人員與工作設(shè)備的安全之外還能抑制外界對(duì)系統(tǒng)的干擾。為減少輸入、輸出端之間的干擾,結(jié)合系統(tǒng)工作信號(hào)頻率,根據(jù)實(shí)際情況采用多點(diǎn)接地或者一點(diǎn)接地方式優(yōu)化接地系統(tǒng),增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 結(jié) 語

國內(nèi)工業(yè)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,未來會(huì)有更多的中小工業(yè)涌入國內(nèi)市場(chǎng),本文就中小企業(yè)的生產(chǎn)需求出發(fā),基于PLC技術(shù),分管理層、現(xiàn)場(chǎng)控制層、數(shù)據(jù)收集與分析層三個(gè)層面設(shè)計(jì)了一種成本較低,適用范圍廣的工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng),在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做了全面優(yōu)化和更新,實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的自動(dòng)化,在系統(tǒng)的安全性和可靠性上有了較大的提升,為中小企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)成本的同時(shí)滿足了其對(duì)工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的需求。